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淺談工程地質(zhì)三維建模與可視化_jason三維可視化建模,水文地質(zhì)三維可視化
  2014-04-23 09:51:21   來源：   評論： 點擊：

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摘要：現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)(GIS)都主要表達二維的地表地物的圖形和屬性信息，要擴展到真三維包含地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)信息系統(tǒng)還有差距。本文分析了工程地質(zhì)體三維建模與可視化研究的關(guān)鍵技術(shù)問題,并結(jié)合金沙江某水電工程壩址區(qū)的三維地質(zhì)建模進行了初步開發(fā)和應(yīng)用。
 

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì) 三維建模與可視化 地質(zhì)信息

1 前言

　　現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)(GIS)都主要表達二維的地表地物的圖形和屬性信息，要擴展到真三維包含地下地質(zhì)的地質(zhì)信息系統(tǒng)還有差距。一個大型地質(zhì)工程項目從可行性研究階段、初步設(shè)計階段到詳細設(shè)計階段，乃至到工程與運行階段，往往積累了大量的地質(zhì)資料，用三維模型圖形圖像來表達和解釋如此龐大的資料，比光靠數(shù)據(jù)庫和圖表等傳統(tǒng)手段來得有效的多。建立工程地質(zhì)體的三維模型，處理巖層界面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，逼真反映地下主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，將為工程地質(zhì)工作者分析研究工程地質(zhì)現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)掌握巖土體結(jié)構(gòu)規(guī)律，提供一種嶄新的研究手段和研究方法。

國外三維地質(zhì)建模和可視化研究發(fā)展較快。加拿大阿波羅科技集團公司推出的三維建模與分析MicroLYNX，通過對離散點采樣、鉆探采樣和探槽采樣等空間數(shù)據(jù)的處理，產(chǎn)生剖面、塊和面等模型，確定礦藏分布和等級變化并計算礦藏儲量。加拿大Gemcom Software International Inc.公司開發(fā)的Gemcom軟件通過鉆孔、點、多邊形等數(shù)據(jù)，利用實用的圖形編輯和生成工具，顯示鉆孔孔位分布，運用不規(guī)則三角網(wǎng)建立表面和實體模型，運用多義線圈閉巖層和礦體邊界進行儲量和品位分析，提供了交互操作功能并允許用戶根據(jù)自己的經(jīng)驗和專家知識勾畫地質(zhì)模型，實現(xiàn)任意剖面切割任意角度觀察和實體與實體或?qū)嶓w與表面的交切與布爾運算等。國外軟件主要是瞄準采礦工程，能夠較好地滿足采礦工程活動中的礦產(chǎn)資源勘探和評價、地下礦井和露天礦坑設(shè)計和規(guī)劃、礦產(chǎn)資源管理和采礦生產(chǎn)管理等需求。美國Kinetix公司開發(fā)的3D Studio MAX，Alias/Wavefront公司開發(fā)的Maya和微軟公司開發(fā)的Softimage等大眾化的三維建模軟件，在構(gòu)建工業(yè)和建筑模型與動畫制作方面有其獨到之處，但交互查詢的功能較弱，與工程勘測數(shù)據(jù)庫結(jié)合并應(yīng)用于工程地質(zhì)三維建模方面還有較大距離。

張菊明等對風(fēng)化帶分布、多層地層等地質(zhì)信息的可視化和斷層錯斷巖層的表達和顯示的算法[1,2]進行了較為深入的研究，為工程地質(zhì)三維可視化軟件的開發(fā)準備了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并借助Auto平臺實現(xiàn)了復(fù)雜三維地質(zhì)圖形的顯示。國內(nèi)的靈圖VRMap地理信息系統(tǒng)軟件有較強的地形模擬和地表地物的查詢功能，但不是真三維的地質(zhì)建模工具。北京東方泰坦科技有限公司開發(fā)TITAN三維建模軟件，基于框架建模的思想，利用平行或基本平行的剖面數(shù)據(jù)，建立起三維空間復(fù)雜形狀物體的真三維實體模型，但目前只是初步的三維建模與圖形處理的引擎，在面向具體專業(yè)時，需要添加或擴充專業(yè)模塊，比如工程地質(zhì)專業(yè)模塊等。

縱觀國內(nèi)外幾種軟件的研究與開發(fā)現(xiàn)狀，它們?yōu)楣こ痰刭|(zhì)三維建模與可視化打下了很好的技術(shù)基礎(chǔ)，提供了很寶貴的開發(fā)經(jīng)驗。但是，對于工程地質(zhì)專業(yè)的地質(zhì)體建模與可視化分析的針對性不強，不能夠很好地滿足工程地質(zhì)生產(chǎn)與研究的專業(yè)功能需要。因此本文將從分析工程地質(zhì)的三維建模和可視化的關(guān)鍵技術(shù)問題入手，簡單描述作者在工程地質(zhì)三維建模和可視化方面的初步開發(fā)研究成果。

       工程地質(zhì)體一般是不規(guī)則形體，在計算機圖形學(xué)中曲線和曲面總是分別通過很多微小直線段和微小三角面逼近來模擬地層巖性界線和巖層曲面，即巖層界面（和地表曲線、地下水位面等地質(zhì)層面界線）和巖層曲面都分別是許多微小直線段和微小三角面的集合。地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是工程地質(zhì)三維建模和可視化的基礎(chǔ)，這就要求必須具備有效的分層的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠確保人機交互和查詢的實現(xiàn)。

2.3 曲面求交

2.5 可視化技術(shù)

工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的研究框圖如圖1所示。

基于離散采樣數(shù)據(jù)的插值與擬合的思想，即將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲線曲面, 工程地質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)體三維建模與可視化的過程是，從勘探數(shù)據(jù)庫中提取各種地質(zhì)信息的坐標位置及巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，通過不同的擬合與插值函數(shù)得到地質(zhì)層面(曲面)和地質(zhì)實體的三維計算機圖形顯示，表達地質(zhì)信息在研究區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律。生成地質(zhì)巖層面和地質(zhì)實體后，實現(xiàn)從任意角度觀察建立的模型，實現(xiàn)根據(jù)指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。

在收集整理現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)后錄入金沙江某水電工程勘測空間數(shù)據(jù)庫各分項數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表不僅包括地質(zhì)信息的位置數(shù)據(jù)，更重要的是提供屬性數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

 (2) 工程地質(zhì)三維建模與可視化的深入研究，可以充分利用已有現(xiàn)場勘探實測或試驗數(shù)據(jù)，達到節(jié)約投資減少勘察或研究成本的目的。當現(xiàn)場勘探和試驗數(shù)據(jù)資料不足情況下，通過對已有數(shù)據(jù)的插值與擬合到建立三維模型，可以推斷和預(yù)測未知區(qū)域或研究較少區(qū)域的地質(zhì)信息或巖土體物理力學(xué)參數(shù)的分布趨勢，從而為減少勘探工作量提供科學(xué)的可靠的依據(jù)，達到節(jié)約花費，為生產(chǎn)或研究部門產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益的目的。

(3)工程地質(zhì)巖土體是復(fù)雜的不規(guī)則形體，，存在各種地質(zhì)巖性層面、結(jié)構(gòu)面以及各種空間分布的地質(zhì)與力學(xué)信息，完全表達地質(zhì)信息的空間分布及巖層和結(jié)構(gòu)面間的位置關(guān)系，工程地質(zhì)三維建模與可視化研究是大有作為的。

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